DE19631026C2 - Deformable device - Google Patents

Deformable device

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Abstract

In a system for deforming a support structure by means of electric or magnetic effects, the support structure consists of (a) an embedded fibre composite, in which the fibres extend at an angle ( plus or minus alpha ) to the transverse direction (X) of the support structure; and (b) piezoelectric ceramics or polymers, electrostrictive ceramics or magnetostrictive materials such as 'Terfenol-D' alloy, applied onto the support structure in the form of strips extending in the transverse direction (X).

Description

Die Erfindung betrifft eine mittels elektrisch oder magnetischer Effekte verformbare Vorrichtung mit einer Trägersturktur aus einem in einem Bettungsmaterial angeordneten Faserverbund und mit aus piezoelektrischen Keramiken oder Polymeren, oder elektrostriktiven Keramiken oder magnetostriktven Materialen, die mit der Trägerstruktur verbunden sind, wobei der Faserverbund aus einer Vielzahl von Fasern besteht, die unter einem spitzen Winkel ±α zur Querrichtung der Trägerstruktur verlaufen.The invention relates to a means of electrical or magnetic effects deformable device with a support structure from one in one Bedding material arranged fiber composite and with piezoelectric Ceramics or polymers, or electrostrictive ceramics or magnetostrictive materials connected to the support structure, wherein the fiber composite consists of a large number of fibers that are under one acute angle ± α to the transverse direction of the support structure.

Es ist bekannt, daß Piezokeramiken besondere Eigenschaften aufweisen. Wird ein derartiges Material mechanisch deformiert, so entsteht auf seinen Oberflächen eine elektrische Spannung, die proportional zur Deformation ist. Diese Eigenschaft wird beispielsweise in Feuerzeugen zur Funkenerzeugung ausgenutzt. Umgekehrt deformiert sich ein piezoelektrisches Material, z. B. eine Piezokeramik, beim Anlegen einer elektrischen Spannung. Dieser Effekt wird für Aktuatoren und Stellelemente in der Mikromechanik, z. B. beim Tunnelmikroskop, verwendet.It is known that piezoceramics have special properties. Becomes such a material is mechanically deformed, so arises on its Surfaces an electrical voltage that is proportional to the deformation. This property is used, for example, in lighters for spark generation exploited. Conversely, a piezoelectric material, e.g. B. a piezoceramic when applying an electrical voltage. This effect is used for actuators and actuators in micromechanics, e.g. B. at Tunnel microscope used.

Dieser piezoelektrische Effekt führt bei Piezokeramiken bei mittleren Kräften zu kleinen Verformungen. Diese sind bis zu hohen Frequenzen nutzbar, wobei jedoch aufgrund der geringen Verformungen für bestimmte Anwendungszwecke aufwendige Übersetzungsmechanismen vorgesehen werden müssen.This piezoelectric effect results in medium-strength piezo ceramics too small deformations. These can be used up to high frequencies, whereby however due to the small deformations for certain Application-specific translation mechanisms are provided Need to become.

In analoger Weise können Verformungen durch die Verwendung magnetostriktiver Materialien mittels magnetischer Effekte erzielt werden. In an analogous manner, deformations can be caused by use magnetostrictive materials can be achieved by means of magnetic effects.  

Aus der DE 40 25 618 A1 ist eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Diese Vorrichtung umfaßt ein piezoelektrisches Röhrchen, welches einen rohrförmigen Polygonkörper mit in Längsrichtung der Polygonseiten angeordneten Piezoplatten aufweist. Auf den polygonen Dom ist eine Faser im spitzen Winkel zur Längsrichtung aufgewickelt und mit einem als Matrix dienenden Kleber umgeben. Dieser Faserverbund kann mehrlagig aufgebaut sein. Gemäß Fig. 4 der vorgenannten Druckschrift sind auf der Ausßenseite des Polygonkörpers langgestreckte Piezoplatten angebracht, durch die bei Anlegen einer Spannung eine axiale Elongation des Röhrchens erzielbar ist.From DE 40 25 618 A1 a device according to the preamble of claim 1 is known. This device comprises a piezoelectric tube which has a tubular polygon body with piezo plates arranged in the longitudinal direction of the polygon sides. A fiber is wound onto the polygonal dome at an acute angle to the longitudinal direction and surrounded with an adhesive serving as a matrix. This fiber composite can be constructed in several layers. According to FIG. 4 of the aforementioned publication, elongated piezo plates are attached to the outside of the polygonal body, by means of which an axial elongation of the tube can be achieved when a voltage is applied.

Aus der US 49 22 096 ist eine Vorrichtung zur Erfassung und Steuerung eines Aktuators mittels piezoelektrischer Strukturen bekannt, bei der die oben beschriebenen piezoelektrischen Eigenschaften in Verbindung mit der Lichtübertragung durch optische Fasern verwendet werden.From US 49 22 096 a device for detecting and controlling a Actuator known by means of piezoelectric structures, in which the above described piezoelectric properties in connection with the Light transmission through optical fibers can be used.

Schließlich ist aus der DE 40 33 089 C1 ein Torsionselement bekannt, welches elektrostriktive Fasern umfaßt, die piezoelektrisch beschichtet sind und die durch ihre im Faserverbund gewählte Anordnung das elastische Verhalten eines Torsionsstabes abhängig von der angelegten elektrischen Spannung ändern. In dieser Druckschrift ist darauf hingewiesen, daß die Änderung der mechanischen Eigenschaften des Torsionselements zur elektrisch gesteuerten Rotorblattsteuerung von Hubschraubern angewendet werden kann.Finally, a torsion element is known from DE 40 33 089 C1, which comprises electrostrictive fibers which are piezoelectrically coated and which due to the arrangement chosen in the fiber composite, the elastic behavior of a torsion bar depending on the applied electrical voltage to change. In this document it is pointed out that the change in mechanical properties of the torsion element for electrically controlled Rotor blade control from helicopters can be applied.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung nach der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß insbesondere in einer vorgegebenen Richtung eine besonders intensive Verformung der Trägerstruktur bei vergleichsweise niedriger anzulegender Piezospannung erreicht wird. The object of the present invention is a device according to the entry mentioned genus so that in particular in a predetermined Towards a particularly intensive deformation of the support structure comparatively lower piezo voltage to be applied.  

Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs näher genannten Art erfolgt die Lösung dieser Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.Starting from a device of the type mentioned in the introduction Solution to this problem with the in the characterizing part of claim 1 specified features; advantageous embodiments are in the Subclaims described.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bestehend aus einer Trägerstruktur, mit z. B. rechteckigem Querschnitt, die auf zwei sich gegenüberliegenden Seiten oder auch auf einer Seite z. B. Piezokeramiken aufweist, wird eine aktive erhebliche Verformung der Trägersturktur ermöglicht und zwar unter direkter elektrischer Ansteuerung der Piezokeramiken. Dabei wird die elektrisch erzeugte Verformung der Piezokeramiken in Längsrichtung (x- Richtung) auf die Trägerstruktur übertragen, die dadurch in Querrichtung (y- Richtung) erheblich verformt wird. Statt piezoelektrische Keramiken können auch Polymere, elektrostriktive oder magnetostrikti­ ve Materialien, wie z. B. die unter der Bezeichnung TERFENOL-D bekannte Legierung, verwendet werden.With the device according to the invention, consisting of a support structure, with z. B. rectangular cross-section on two opposite Pages or even on a page z. B. has piezoceramics, a active significant deformation of the support structure allows and under direct electrical control of the piezoceramics. The electrically generated deformation of the piezoceramics in the longitudinal direction (x- Direction) transferred to the support structure, which in the transverse direction (y- Direction) is significantly deformed. Instead of piezoelectric ceramics  can also be polymers, electrostrictive or magnetostrictive ve materials such as B. under the name Alloy known from TERFENOL-D can be used.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit Piezokeramiken dargestellt ist. Es zeigenIn the following the invention with reference to the drawing explained in which an advantageous embodiment in Connection with piezoceramics is shown. Show it

Fig. 1 eine Draufsicht auf und einen Querschnitt durch ei­ ne Trägerstruktur ohne Piezokeramiken sowie die Anordnung der einzelnen Fasern und Fig. 1 is a plan view of and a cross section through egg ne support structure without piezoceramics and the arrangement of the individual fibers and

Fig. 2 eine Draufsicht auf und einen Querschnitt durch die mit den Piezokeramiken versehene Trägerstruktur. Fig. 2 is a plan view of and a cross section through the support structure provided with the piezoceramics.

Fig. 1a zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Trägerstruktur 1, welche gemäß Fig. 1b einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Die Trägerstruktur 1 besteht dabei aus einem Faserverbund, vorzugsweise einem hochmoduligem Faserverbund (d. h. mit einem hohen Elastizitätsmodul), wo­ bei der Faserverbund in ein Bettungsmaterial, z. B. ein ge­ eignetes Harz, eingebettet ist und eine Vielzahl von Fasern aufweist, die mit 2, 3 bezeichnet sind und deren Richtung ein spitzer Winkel ±α zur mit X bezeichneten Längsrichtung ein­ schließen (Fig. 1c), während mit Y die Querrichtung ent­ sprechend der Längsachse der Trägerstruktur 1 bezeichnet ist. FIG. 1 a shows a plan view of a section of a support structure 1 which, according to FIG. 1 b, has a rectangular cross section. The carrier structure 1 consists of a fiber composite, preferably a high-modulus fiber composite (ie with a high elastic modulus), where in the fiber composite in a bedding material, for. B. a ge suitable resin is embedded and has a plurality of fibers, which are denoted by 2 , 3 and the direction of which includes an acute angle ± α to the longitudinal direction denoted by X ( Fig. 1c), while with Y the transverse direction ent corresponding to the longitudinal axis of the support structure 1 .

Der Winkel ±α für den Verlauf der Fasern des hochmoduligen Faserverbundes beträgt vorzugsweise ±20° bis ±45°, wobei die Querkontraktionszahl der in Fig. 1 dargestellten Trä­ gerstruktur in der Größenordnung von 2,0 liegt und diese eine Vergrößerung der durch die Piezokeramiken verursachten Ausdehnung in Längsrichtung X bewirkt. The angle ± α for the course of the fibers of the high-modulus fiber composite is preferably ± 20 ° to ± 45 °, the transverse contraction number of the carrier structure shown in FIG. 1 being of the order of magnitude of 2.0, and this causes an increase in the size caused by the piezoceramics Expansion in the longitudinal direction X causes.

Eine oder auch zwei, in diesem Fall sich gegenüberliegende Seiten und zwar die großen Längsseiten der Trägerstruktur 1, sind nun mit einer Vielzahl von streifenförmigen Piezokera­ miken 4, 4' belegt, welche für die gewünschte Verformung der Trägerstruktur sorgen, sofern sie mit einer elektri­ schen Spannung beaufschlagt werden.One or two, in this case opposite sides, namely the large long sides of the support structure 1 , are now covered with a variety of strip-shaped Piezokera miken 4 , 4 ', which ensure the desired deformation of the support structure, provided that they with an electrical rule Voltage are applied.

Fig. 2 läßt ferner erkennen, daß die Piezokeramiken auf einer oder auf den beiden großen Längsseiten der Trägerstruktur aus einer Vielzahl einzelner Streifen 4, 4' bestehen, wel­ che nicht über ihre gesamte Breite, sondern nur über einen Teil ihrer Breite, d. h. in den Bereichen 5, 5' (Fig. 2b), jedoch über ihre gesamte Längsausdehnung mit den entspre­ chenden Seiten der Trägerstruktur verklebt sind. Die Piezo­ keramik 4 (gegebenenfalls auch 4') verlaufen dabei in Längsrichtung X und senkrecht zur Querrichtung Y. Fig. 2 also shows that the piezoceramics on one or on the two long sides of the support structure consist of a plurality of individual strips 4 , 4 ', which che not over their entire width, but only over part of their width, ie in the Areas 5 , 5 '( Fig. 2b), but are glued over their entire longitudinal extent to the corresponding sides of the support structure. The piezo ceramic 4 (optionally also 4 ') run in the longitudinal direction X and perpendicular to the transverse direction Y.

Durch die nur teilweise Verklebung der Keramikstreifen 4, 4' mit der Trägerstruktur 1 wird erreicht, daß die Steifig­ keit und die aktive Dehnung der Piezokeramiken in der Längsrichtung X voll wirksam ist, in der Querrichtung Y je­ doch nur zum Teil. Auf diese Art erhält man ein orthotropes Verhalten des in dieser Ebene eigentlich isotropen Werk­ stoffes. Durch Variation des Verhältnisses der Klebebreite zur Streifenbreite kann die Stärke dieser Orthotropie ein­ gestellt werden.The only partial bonding of the ceramic strips 4 , 4 'to the support structure 1 ensures that the stiffness and the active expansion of the piezoceramics in the longitudinal direction X is fully effective, but only partially in the transverse direction Y. In this way, one obtains an orthotropic behavior of the material, which is actually isotropic in this plane. By varying the ratio of the adhesive width to the strip width, the strength of this orthotropy can be set.

Die Trägerstruktur kann sowohl ein Rotorblatt für einen Hubschrauber als auch ein Aktuator sein; wird die Träger­ struktur als Aktuator ausgebildet, so bewirkt eine mechani­ sche Verlängerung in Querrichtung Y keine oder nur eine äu­ ßerst geringe Verformung in Längsrichtung X und damit keine oder fast keine Beanspruchung der Piezokeramiken.The carrier structure can be a rotor blade for one Helicopter as well as an actuator; becomes the carrier structure as an actuator, so a mechani cal extension in the transverse direction Y none or only an outer Very little deformation in the longitudinal direction X and therefore none or almost no stress on the piezoceramics.

Dadurch entfällt die Notwendigkeit, daß die Piezokeramiken unter Vorspannung auf der Trägerstruktur angeordnet werden; eine elektrisch über die Piezokeramiken erzeugte Verformung in Längsrichtung X führt hingegen zu einer erheblichen Ver­ längerung und damit Verformung des Aktuators in Richtung dessen Längsachse entsprechend der Y Richtung.This eliminates the need for the piezoceramics be arranged under prestress on the support structure;  a deformation generated electrically via the piezoceramics in the longitudinal direction X, however, leads to a considerable Ver elongation and thus deformation of the actuator in the direction whose longitudinal axis corresponds to the Y direction.

Wird die Trägerstruktur nur einseitig mit Piezokeramiken in Streifenform gelegt, so erhält man damit Biegestrukturen, die z. B. als Klappen verwendbar sind.If the carrier structure is only one-sided with piezoceramics Strip shape, so you get bending structures, the z. B. can be used as flaps.

Claims (7)

1. Mittels elektrischer oder magnetischer Effekte verformbare Vorrichtung mit einer Trägerstruktur aus einem in einem Bettungsmaterial angeordneten Faserverbund und mit aus piezoelektrischen Keramiken oder Polymeren, oder elektrostriktiven Keramiken oder magnetostriktiven Materialen, die mit der Trägerstruktur verbunden sind, wobei der Faserverbund aus einer Vielzahl von Fasern besteht, die unter einem spitzen Winkel ±α zur Querrichtung (X) der Trägerstruktur verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Keramiken oder Polymeren, oder elektrostriktiven Keramiken oder magnetostriktiven Materialien in Form von sich in Querrichtung X der Trägerstruktur (1) erstreckenden Streifen (4, 4') mit der Trägerstruktur gefügt sind, wobei die Fügefläche über die gesamte Länge der Streifen und einen Teil der Streifenbreite reicht.1. Device deformable by means of electrical or magnetic effects with a support structure made of a fiber composite arranged in a bedding material and with piezoelectric ceramics or polymers, or electrostrictive ceramics or magnetostrictive materials that are connected to the support structure, the fiber composite consisting of a plurality of fibers , which run at an acute angle ± α to the transverse direction (X) of the support structure, characterized in that the piezoelectric ceramics or polymers, or electrostrictive ceramics or magnetostrictive materials in the form of strips ( 4 , 4 ) extending in the transverse direction X of the support structure ( 1 ) 4 ') are joined to the support structure, the joining surface extending over the entire length of the strips and part of the strip width. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur (1) rechteckigen Querschnitt aufweist.2. Device according to claim 1, characterized in that the carrier structure ( 1 ) has a rectangular cross section. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Keramiken oder Polymeren, elektrostriktiven Keramiken oder magnetostriktiven Materialien (4) auf nur einer der Längsseiten der Reckeckkontur der Trägerstuktur (1) aufgebracht sind.3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the piezoelectric ceramics or polymers, electrostrictive ceramics or magnetostrictive materials ( 4 ) are applied to only one of the long sides of the rectangle contour of the carrier structure ( 1 ). 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Keramiken oder Polymeren, elektrostriktiven Keramiken oder magnetostriktiven Materialien auf den beiden Längsseiten der Rechteckkontur der Trägerstuktur (1) aufgebracht sind. 4. The device according to claim 2, characterized in that the piezoelectric ceramics or polymers, electrostrictive ceramics or magnetostrictive materials are applied to the two long sides of the rectangular contour of the support structure ( 1 ). 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur (1) einen ovalen oder kreisförmigen Querschnitt aufweist.5. The device according to claim 1, characterized in that the carrier structure ( 1 ) has an oval or circular cross section. 6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur ein Rotorblatt für einen Hubschrauber ist.6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the support structure is a rotor blade for a helicopter. 7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur ein Aktuator ist.7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the support structure is an actuator.
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